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纤维的吸湿机理

关注:796     发表时间:2017-11-11 09:10:49

纤维的吸湿机理


纤维的吸湿机理是很复杂的物理化学现象,如纤维的吸湿放热、膨胀会引起纤维结构和性能的变化。纤维吸湿性除与纤维本身内部结构因素影响外,还与环境条件等因素有关,请看如下分析。


一、纤维材料的吸湿机理

       众所周知,在众多纺织纤维中,天然纤维的吸湿性比合成纤维要好得多,在合成纤维中,吸湿性得差异也很大,归纳起来主要是以下几方面的原因。

1. 亲水基团的作用

    纤维大分子中,亲水基团的多少和基团极性的强弱均对纤维的吸湿性有很大影响。如羟基、酰胺基、胺基、羧基等都是较强的亲水基团,它们与水分子的亲和力很大,能与水分子形成化学结合水(或称直接吸收水)。这类基团越多,纤维的吸湿能力越高。

    纤维素纤维中,棉、麻、粘胶等纤维,大分子中的每一葡萄糖剩基上含有三个羟基,所以吸湿性很大。醋脂纤维中葡萄糖剩基上的大部分羟基被乙酰基取代,而乙酰基(——COCH3)对水的吸引力不强,因此,醋脂纤维的吸湿性较粘胶纤维低。蛋白质纤维的主链上含有亲水性的酰胺基(——CONH),侧链中含有羟基、氨基、羧基等亲水基团,因此吸湿性好。合成纤维中含有亲水基团不多,所以吸湿性都较低。维纶纤维中,纤维大分子上的羟基经缩醛化后,一部分被封闭,所以吸湿性减小。锦纶大分子中有酰胺基,也有一定的吸湿性。腈纶大分子中的氰基,极性较大,但亲水性弱,故吸湿能力小。涤纶和丙纶缺乏亲水基团,故吸湿能力极差。


2. 纤维的结晶度

    天然纤维素纤维的X射线衍射图表明,吸湿前后图像并无变化,认为在结晶区内,纤维大分子排列紧密有序,亲水的活性基在分子间形成交键,水分子一般不能进入结晶区。所以,纤维的吸湿主要发生在纤维大分子不规则排列的无定型区。因此,纤维的结晶度越低,吸湿能力越强。如棉纤维经丝光处理后,由于结晶度降低使吸湿量增加;棉和粘胶纤维虽然都是纤维素纤维,但棉的结晶度约为70%,而粘胶纤维仅为30%左右,所以粘胶纤维吸湿能力比棉高得多。

    在同样的结晶度条件下,微晶体的大小对吸湿性也有影响。一般来说,晶体颗粒小的总表面积大,晶体表面纤维大分子的亲水基团吸收水使吸湿性较大。如粘胶纤维芯层回潮率一般为11%--12%,皮层的回潮率为13%-14%,就是由于皮层的晶粒小而均匀分散,具有较大的晶区表面积的缘故。


3. 纤维的比表面积和内部孔隙

    单位质量的纤维所具有的表面积,称为比表面积。物质表面分子由于引力的不平衡,使它比内层分子具有多余的能量,称为表面能。表面积越大,表面上的分子数越多,表面能也越大。在液体与气体的界面上,液体的表面分子总是有力图把自己表面收缩以求降低表面能的倾向,这就是表面张力。纤维是固体,在固-气界面上,其表面能不能使它的表面缩小,但它具有吸附某种物质以降低表面能的倾向,叫做固体表面的吸附作用。

    纤维的比表面积越大,表面能也越多,表面吸附能力越强,纤维表面吸附水分子能力也越强,表现为吸湿性越好。(涤纶超细纤维或者海岛纤维做的面料吸湿性就比较好)。

    纤维内部大分子排列越不规则,使大分子间孔隙越多越大,纤维的吸湿能力也越强。在吸湿机理中与纤维比表面积和内部空隙有关的两个重要概念分述如下:

    a. 直接吸收水和间接吸收水:直接被纤维大分子上亲水基团吸附和起化学反应的水分子称为直接吸收水。已被吸附的水分子,由于本身也有极性,也可以吸附其它水分子,使后来被吸附的水分子积聚在上面,称为间接吸收水。如图2-16所示。间接吸收水分子间的结合力比较弱,它的吸着热也比较小,存在于纤维内部的微小间隙中成为微毛细水;当湿度很高时,间接吸收水可以填充到纤维内部较大的间隙中成为大毛细水。  

b. 毛细水:在很高的相对湿度时,液态水由于纤维表面张力的作用,能够保持在毛细空隙内。当相对湿度增加时,液态水可以保持在较大直径的毛细管(纤维空隙)中,使纤维回潮率增加。


4. 纤维中伴生物和杂质

    纤维的各种伴生物和杂质对吸湿能力也有影响。如棉纤维中有含氮物质、棉蜡、果胶、脂肪等,其中含氮物质、果胶比纤维素本身更能吸水,而棉蜡、脂肪不易吸着水,因此棉纤维脱脂程度越高,其吸湿能力越好。麻纤维中的果胶和丝纤维中的丝胶有利于吸湿。羊毛纤维表面油脂是拒水物质。合成纤维的表面油剂通常是亲水表面活性剂,使纤维吸湿量增大。


二、环境对纤维吸湿性的影响

       前面讲的纤维的吸湿机理是阐述纤维吸湿能力强弱的原因,这是纤维材料具有吸湿性的本质因素,是内因。但是周围空气环境条件、吸湿放湿过程以及平衡时间长短等外界因素,对纤维的吸湿性影响也很大。空气环境条件有大气压力、温度和相对湿度三个方面,由于地球表面上大气压力变化不大,这里主要讨论相对湿度、温度与纤维吸湿性间的关系。


  1. 相对湿度的影响

    在一定温度条件下,相对湿度越高,空气中水汽分压力越大,单位体积空气中的水分子数目越多,纤维的吸湿机会也较多。纤维的平衡回潮率随相对湿度的增加而增加。


2. 温度的影响

    温度对纤维平衡回潮率的影响比相对湿度要小,其一般规律是温度越高,平衡回潮率越低。这是因为,在相对湿度相同的情况下,空气温度低时,水分子活动能量小,一旦水分子与纤维亲水基团结合后就不易分离。空气温度高时,水分子活动能量大,纤维大分子的热振动能也随之增大,会削弱水分子与纤维大分子中亲水基团的结合力,使水分子从纤维内部逸出。同时,存在于纤维内部空隙中的液态水蒸发的蒸汽压也随之上升,使水分子容易逸出。因此,一般情况下,随着空气和纤维的温度升高,纤维的平衡回潮率就会下降。


3. 空气流速的影响

    当周围空气流速快时,有助于纤维表面被吸附的水分子的蒸发,纤维的平衡回潮率有所降低。


4. 应力的影响

    纤维的吸湿膨胀意味着应力作用于纤维将会改变其平衡回潮率。当拉应力作用于长丝纤维时,纤维平衡回潮率增加;相反地,当纤维受到横向压缩应力时,其回潮率将会降低。


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